ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

УДК 621.81.002.2
© Е.С. Овсеенко, М.Е. Кущева, Д.П. Носов, 2011
ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ
В статье проводится анализ формирования упрочненного поверхностного слоя маложестких деталей. Приведены степени влияния на деформационное упрочнение поверхностного слоя основных факторов
лезвийной обработки.
Ключевые слова: поверхностный слой, упрочнение, пластическое деформирование, маложесткие детали.
Деформационное упрочнение поверхностного слоя (ПС) при
обработке металлов резанием происходит в результате пластических деформаций в зоне резания и последующего воздействия
задней поверхности инструмента (или нароста) на формирующийся ПС.
Пластические деформации приводят к повышению прочностных характеристик ПС (предела прочности, предела текучести,
твердости) и к снижению его пластичности. В результате пластических деформаций и трения в зоне резания выделяется тепло и
происходит повышение температуры, которая может вызвать разупрочнение и даже рекристаллизацию деформированного металла ПС.
Деформационное упрочнение ПС в основном оценивается
глубиной (hн) и степенью (Uн) наклепа, которые существенным
образом зависят от механических свойств и структуры металла.
Пластичные металлы, имеющие большие значения отношения
предела прочности к пределу текучести упрочняются в большей
степени, чем малопластичные металлы. При пластических деформациях могут происходить фазовые превращения. При лезвийной обработке (точение, строгание, фрезерование и др.) существенное значение в формировании ПС, в частности, таких его
характеристик как глубины и степени наклепа, имеет участок
врезания режущего лезвия в металл. В связи с наличием округленной режущей кромки или вершины нароста врезанию предше23
ствуют стадии упругого и упругопластического оттеснения металла в сторону задней грани (обработанной поверхности).
Если вершину режущего клина рассматривать как жесткий
цилиндр радиусом «ρ», который скользит по пластически деформируемому полупространству, то переход от пластического обтекания металлом округленной вершины к резанию наступает при
условии (формула 1):
2
t3 ⎛ π
τ⎞
− 1,3 ⎟ ,
⎜
q⎠
ρ ⎝ 5,6
(1)
tn = r × cos αn − r 2 − S 2 × (1− cos2αn ),
(2)
где τ — прочность связей контактируемых поверхностей на
срез; q — фактическое давление, которое можно принять равным
твердости материала; t — глубина резания.
Из соотношения (1) следует, что при идеальной смазке
( τ = 0 ) образование стружки начинается при относительном
внедрении t/ρ ≥ 0,31. В условиях сухого трения пластическое обтекание переходит в резание при относительном внедрении t/ρ от
0,1 до 0,2.
Проведем анализ теоретической толщины среза tn на примере
строгания резцом с радиусом при вершине r, и встречного фрезерования цилиндрической фрезой диаметром 2r (рис. 1).
Теоретическая толщина среза по радиусной части режущей
кромки резца либо траектории врезания зуба фрезы изменяется от
0 до максимума и может быть подсчитана по формуле (2):
где α n — текущий угол (в полярной системе координат), градусы.
Из формулы (2) определяется максимальное t1max ( cos α n = S / 2r ) и
среднее tср ( cos α n = 0 ) значение толщины среза на участке радиусной кромки резца или траектории зуба фрезы, которые принимают непосредственное участие в формировании ПС, по формулам (3 и 4):
2
t1max = S ,
r
(3)
2
tср = r − r 2 − S 2 ≈ S ,
2r
24
(4)
Рис. 1. Схема к определению толщины срезаемого слоя и объяснению многостадийности формирования ПС.где S — величина подачи на один зуб
инструмента; αn — текущий угол (в полярной системе координат); ρ — радиус
округления режущей кромки; n — порядковый номер врезающегося зуба; t —
толщина срезаемого слоя
Расчеты показывают, что при подаче S=0,3 мм/об и r=2 мм,
tср=23 мкм; t1max = 45 мкм; при r = 4 мм, tср = 11 мкм; t1max = 23 мкм.
Для случая фрезерования фрезой Ø 50 мм с подачей 0,08
мм/зуб, tср =0,13 мкм, t1max =0,26 мкм. Даже при большой подаче
(Sz=0,4 мм/зуб) t1max = 6,4 мкм.
Таким образом, теоретические толщины среза на участке непосредственного формирования ПС имеют очень малые значения. При определенных отношениях S/r эти толщины могут быть
значительно меньше, чем радиус округления режущего лезвия
резца или зуба фрезы. Они становятся соизмеримыми и могут
быть даже меньше высоты шероховатости (Rz) обработанной поверхности и задней поверхности режущего инструмента или на25
роста. В этих условиях передний угол практически не оказывает
непосредственного влияния на формирование ПС, фактические
передние углы в этой зоне принимают отрицательные значения и
на значительном участке происходит не резание, а пластическое
обтекание металлом округленной режущей кромки, сопровождающееся трением и упрочнением ПС.
Площадь обработанной поверхности, окончательно сформированная не резанием, а путем трения и пластического оттеснения
металла в ПС, увеличивается с уменьшением подачи, а также с
увеличением r и ρ (по мере износа инструмента). На соотношении
этих площадей должны оказывать влияние все факторы, определяющие протекание адгезионных процессов в зоне контакта обрабатываемого материала с округленной режущей кромкой (обрабатываемый и инструментальный материал, состояние контактирующих поверхностей, поверхностные пленки, смазка, температура и т.п.). При определенных условиях (больших r и ρ, хорошей
смазке, низкой жесткости технологической системы и др.) вся обработанная поверхность может быть окончательно (последними
проходами) сформирована путем пластической деформации микронеровностей и тонких слоев, а не путем снятия стружки.
В связи с малыми толщинами среза окончательное формирование ПС происходит не за один, а за несколько циклов, т.е. это
процесс многоцикловый (многостадийный). Имеет место эффект
последовательного увеличения остаточных деформаций металла
ПС в результате многократного динамического приложения силовых нагрузок и воздействия вызванного ими напряженного поля на
одни и те же участки ПС. Многократное воздействие на участки
ПС с возрастающей интенсивностью имеет место также и от теплового поля, возникающего в зоне резания и формирования ПС.
Расчеты показывают, что, например, в процессе цилиндрического фрезерования фрезой диаметром 50 мм с подачей на зуб Sz
= 0,1 мм силовое поле, вызывающее пластические деформации на
глубину 100 мкм, воздействует на одни и те же участки поверхностного слоя более 20 раз.
Даже при точении резцом с радиусом при вершине r = 2 мм и
подачей S = 0,1 мм/об число циклов воздействия на одни и те же
участки ПС доходит до 7. Эту особенность (цикличность
воздействия) необходимо учитывать при анализе процесса
26
ствия) необходимо учитывать при анализе процесса образования
ПС в случае обработки лезвийным инструментом.
По степени влияния на деформационное упрочнение ПС основные факторы лезвийной обработки можно расположить в следующей последовательности:
а) физико-химические свойства и структурно-фазовое состояние обрабатываемого металла;
б) материал и геометрия режущей части инструмента:
1) радиус вершинs резца (r), радиус фрезы (R);
2) радиус округления режущей кромки (ρ);
3) характер и величина износа инструмента (hз);
4) передний угол (γ);
5) главный угол в плане (φ);
6) задний угол (α);
в) режим обработки:
1) подача (S,Sz);
2) скорость резания (V);
3) глубина резания (t);
г) смазывающие и охлаждающие технологические среды (СОТС).
Геометрия инструмента и режимы резания в широких пределах могут изменять условия пластической деформации и тепловые процессы в зоне резания и формирования ПС, а значит и его
деформационное управление.
Глубина и степень наклепа ПС может колебаться в широких
пределах, а кривые распределения микротвердости по глубине
ПС могут иметь разный характер. В одних случаях происходит
небольшое повышение микротвердости (от 10 % до 20 %) и кривая упрочнения имеет пологий характер по глубине. В других
случаях наблюдается значительное повышение микротвердости
(на 200 % — 300 %) и кривая упрочнения характеризуется большими градиентами изменения микротвердости по глубине, особенно в тонком ПС.
В зависимости от условий лезвийной обработки деталей из
углеродистых, легированных сталей и никелевых сплавов глубина наклепа ПС изменяется в пределах от 0,05 до 0,3 мм, но может
достигать и больших значений. После наиболее распространенных методов обработки (точения, фрезерования, сверления, зенкерования, строгание и др.) микротвердость ПС повышается на
27
30 % — 80 %. При этом вершины микронеровностей упрочняются в большей степени, чем впадины.
Как правило, наблюдается также большой разброс значений
микротвердости, что связано с размерами зерен и различной микротвердостью структурных составляющих сталей и сплавов (например, более мягкого феррита и более твердого перлита).
Экспериментально установлено, что зависимость глубины и
степени упрочнения от скорости резания носит экстремальный характер. Наименьшее значение этих величин имеет место при оптимальных скоростях и температурах, при которых наблюдается наименьший коэффициент трения и интенсивность износа инструмента.
Влияние подачи на деформационное упрочнение проявляется через толщину срезаемого слоя и температуру. При температурах ниже оптимальной, глубина и степень наклепа с увеличением подачи увеличивается, при температурах выше оптимальной — уменьшается. Наклеп увеличивается с уменьшением переднего угла, увеличением радиуса округления режущей кромки
ρ с увеличением углов в плане φ и φ1.
Сильное влияние на степень и глубину наклепа оказывает износ инструмента, т.к. при этом увеличивается радиус округления
режущей кромки и силы резания. Так, при точении и фрезеровании
углеродистых сталей и никелевых сплавов увеличение износа с
hз = 0,1 мм до hз = 0,3 — 0,4 мм сопровождается ростом глубины
наклепа на 20 % — 40 %, а степени наклепа на 15 % — 30 %.
Применение смазывающих и охлаждающих технологических
сред в зависимости от обрабатываемого материала, вида СОТС,
способов ее подачи, режимов резания может приводить как к
уменьшению, так и к увеличению глубины и степени наклепа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М.М. Технологическое
обеспечение качество изделий машиностроения. Учебное пособие. М.
МГТУ «Станкин». Янус/ — К, 2006. — 296 с.
2. Овсеенко Е.С. Качество поверхностного слоя деталей, упрочненных методами поверхностного пластического деформирования./ Овсеенко А.Н., Клауч Д.Н., Кущева М.Е., Овсеенко Е.С.// Упрочняющие
технологии и покрытия, №6 (66), Москва, 2010. — С. 13—19.
28